보 개방에 의한 하도의 지형변화 과정 수치모의 분석(세종보를 중심으로)

장창래,박태효,강태운,옥기영,Jang, Chang-Lae,Baek, Tae Hyo,Kang, Taeun,Ock, Giyoung 한국수자원학회 2021 한국수자원학회논문집 Vol.54 No.8

In this study, a two-dimensional numerical model (Nays2DH) was applied to analyze the process of morphological changes in the river channel bed depending on the changes in the amount of flooding after fully opening the Sejong weir, which was constructed upstream of the Geum River. For this, numerical simulations were performed by assuming the flow conditions, such as a non-uniform flow (NF), unsteady flows (single flood event, SF), and a continuous flood event (CF). Here, in the cases of the SF and CF, the normalized hydrograph was calculated from real flood events, and then the hydrograph was reconfigured by the peak flow discharge according to the scenario, and then it was employed as the flow discharge at the upstream boundary condition. In this study, to quantitatively evaluate the morphological changes, we analyzed the time changes in the bed deformation the bed relief index (BRI), and we compared the aerial photographs of the study area and the numerical simulation results. As simulation results of the NF, when the steady flow discharge increases, the ratio of lower width to depth decreases and the speed of bar migration increases. The BRI initially increases, but the amount of change decreased with time. In addition, when the steady flow discharge increases, the BRI increased. In the case of SF, the speed of bar migration decreased with the change of the flow discharge. In terms of the morphological response to the peak flood discharge, the time lag also indicated. In other words, in the SF, the change of channel bed indicates a phase lag with respect to the hydraulic condition. In the result of numerical simulation of CF, the speed of bar migration depending on the peak flood discharges decreased exponentially despite the repeated flood occurrences. In addition, as in the result of SF, the phase lag indicated, and the speed of bar migration decreased exponentially. The BRI increased with time changes, but the rate of increase in the BRI was modest despite the continuous peak flooding. Through this study, the morphological changes based on the hydrological characteristics of the river were analyzed numerically, and the methodology suggested that a quantitative prediction for the river bed change according to the flow characteristic can be applied to the field.

실내실험에 의한 혼합사 식생하도의 지형변화와 하상토 분급 특성 연구

장창래,Jang, Chang-Lae 한국수자원학회 2016 한국수자원학회논문집 Vol.49 No.1

This study investigates the development of lower channels and sediment sorting processes in the vegetated channels with the mixed sediment. The sediment discharges fluctuate with time and decrease with vegetation density. The bed changes with irregular patterns, and the sediment particles in the vegetated zone at the surface of bed are fine. The dimensionless geometric mean decreases with vegetation density. The fine sediment particles are trapped by vegetation, and the bed between main steam and vegetated zone increases. Moreover, the particle sizes are distributed irregularly near the zone. The hiding functions decrease with dimensionless particle size. However, the functions increase with vegetation density, which is confirmed by decreasing sediment discharge with vegetation. The lower channel is stable and the migration decreases in the condition of $0.5tems/cm^2$. However, the migration of the lower channel in the condition of $0.7stems/cm^2$ increases due to the increased sinuosity and new generated channels in the sedimentated vegetation zone. 본 연구에서는 식생에 의한 하도 변화와 하상토 분급특성을 파악하였다. 유사의 유출 특성은 불규칙하며, 식생 밀도가 증가함에 따라 유출되는 유사량은 감소하였다. 하상고는 불규칙하게 변하며, 하상토 표층에서 유사 입경은 작아졌다. 식생 밀도가 증가함에 따라 하상 표층에서 무차원 중 앙입경의 비는 감소하였다. 식생대에서 유사가 포착되거나, 식생대와 주흐름 사이에 경계층 흐름이 발생하여 유사가 퇴적되며, 식생대에서 흐름의 방향이 변화되어 표층에서 하상토 입도는 불규칙하게 분포하였다. 무차원 하상토 입경이 감소함에 따라, 차폐효과는 일정하게 감소하였다. 식생밀도가 증가함에 따라 하상 표층에서 차폐효과가 증가하며, 이것은 실험 수로 하류단에서 유사 유출량이 감소하는 것과 일치한다. 식생 밀도가 $0.5stems/cm^2$에서 저수로 이동은 감소하고 안정적인 특성을 보여주었으나, $0.7stems/cm^2$에서 저수로 이동은 증가하였다. 이것은 식생 밀도가 증가하면서 저수로 사행도가 증가하고, 식생대에서 유사가 퇴적되어 새로운 저수로가 형성되었기 때문이다.

2차원 수치모형을 이용한 비점착성 하도의 두부침식에 의한 천급점 이동 특성 분석

장창래,Jang,Chang-Lae 한국방재학회 2012 한국방재학회논문집 Vol.12 No.6

본 연구에서는 2차원 하상변동 수치모형의 모의 결과를 1960년에 시행한 Brush and Wolman의 실험 결과와 비교하여 검증하고, 단차가 형성된 급경사 구간에서 흐름 특성, 두부침식에 의한 천급점의 거동 및 하도의 변화과정을 분석하였다. 본 연구에서 제시된 수치모형은 흐름의 특성인 도수현상과 하류 끝단에서 사구가 형성되면서, 하류로 이동하는 특성을 잘 보여주었다. 또한 상류와 하류에서 경사가 급격하게 변하는 단차가 발생한 지점에서 두부침식에 의한 천급점의 거동 특성을 잘 모의하였으며, 급경사가 형성된 짧은 구간에서 불연속적으로 급격하게 변하는 흐름과 하도의 평면적 변화 과정을 정량적으로 파악하는 적합한 모형임을 보여주었다. 또한 수치실험 결과, 유량이 동일할 때, 두부침식은 초기에 빠르게 발생하지만, 시간이 증가하면서 하상경사가 완만해지고 침식 속도가 감소하였다. 또한 유량이 감소함에 따라, 두부침식 속도도 감소하였다. In this study, a two dimensional numerical simulation was conducted to investigate the behaviors of knickpoint, planimetric changes, and flow characteristics in the short oversteepened reach of the channel with noncohesive materials. The numerical model was verified with the laboratory experimental results of Brush and Wolman in 1960. The numerical model simulated well the generation of hydraulic jump and the behavior of dune due to the sediment eroded upstream, which migrated downstream and caused locally to steepen at the lower end of the oversteepened reach. The knickpoint migrated upstream with time. The slope of the bed below the knickpoint decreased as time progressed. The numerical experimental results showed that the knickpoints upstream migrated with speed as the slope was steep. The migraiton speed were dependant on the discharge.

홍수터 식생에 의한 하도의 지형변화와 적응과정 실험적 분석

장창래,Jang, Chang-Lae 한국수자원학회 2022 한국수자원학회논문집 Vol.55 No.10

This study investigates the evolution processes of alternate bars in the channel with bank stability by vegetation by laboratory experiment. Laboratory experiments are conducted to elucidate the behavior of alternate bars by the influence of riparian vegetation on the rivers with erodible banks. To control bank stability of the channel, the actual vegetation, alfalfa, is grown by adjusting the density of alfalfa on the flood plain. As the vegetation density increases in the flood plain, the bank erosion rates and the channel widening rates decrease and the bank stability increases. The alternate bars migrate slow downstream over time. Moreover, the bars in a channel with strong banks migrate rapidly, which is related with the aspect ratio, that is, width to depth ratio. The bar wavelength decrease with vegetation density. Our laboratory experiments show that the behavior of bars differ according to bank strength.

충적 선상지 형성에 관한 수치모의

장창래(Jang Chang-Lae) 대한토목학회 2007 대한토목학회논문집 B Vol.27 No.3B

본 연구에서는 2005년에 Jang과 Shimizu가 개발한 2차원 수치모형을 적용하여 복잡한 흐름 특성 뿐만 아니라, 사주 및 하천의 상호작용을 고려하여 충적 선상지의 발달과정을 조사하였다. 본 수치모형은 경계가 복잡한 하천을 모의하는데 적합하도록 이동경계좌표계에서 흐름 및 하상변동을 계산하며, 수치해석 기법으로는 CIP법과 중앙차분법을 이용하였다. 본 모형은 선상지 델타의 발달 과정, 즉, 퇴적 저면에서 선상지 정상부 굴착과 유로 형성, 상류에서 퇴적면적의 이동, 유사의 공급에 의한 하천의 되채움, 충적 선상지 정상부에서 하상경사의 증가, 유로(流路)의 방향 전환 및 이동 등 특징을 잘 모의하였다. 상류단에서 유입되는 유사량의 증가에 따라, 하상고의 지속적인 상승을 일으키며, 선상지의 면적을 증가시킨다. 또한 선상지의 종방향 및 횡방향의 하상경사를 증가시키고, 이로 인하여 유로의 분할이 가속된다. 따라서 상류에서 유입되는 유사 유입량의 증가에 의한 하상고의 상승은 유로(流路)의 분할을 일으키는 중요한 인자임을 보여주었다. This study is to analyse the development of alluvial fans, using the 2-D numerical model to simulate complex flow and the relation between bars and channels, proposed by Jang and Shimizu in 2005. As a numerical scheme, CIP method and central difference method was used in the moving boundary-fitted coordinate system. The numerical model captured well the characteristics of alluvial fans, e.g., fan-head entrenchment and channel formation in depositional area, expansion of depositional area downstream, channel backfill by sediment inflow, increase of channel slopes, channel avulsion and migration in alluvial fans. As the sediment inflow increased upstream, the averaged elevation and area of alluvial fans were increased, the longitudinal and transverse slopes of the fans steepened, and then channel avulsion in fans was accelerated. Therefore, sediment inflow in alluvial fans upstream was the crucial factor to channel avulsion, one of important features of alluvial fans.

GIS기법을 이용한 하천 교란 실태의 분석(II)

박은지,김계현,장창래,Park, Eun-Ji,Kim, Kye-Hyun,Jang, Chang-Lae 한국공간정보학회 2008 한국공간정보시스템학회 논문지 Vol.10 No.4

현재 시행되고 있는 하천의 정비는 하천 고유의 특성을 간과한 채 이용적 측면에서 진행되고 있으며 그 결과 하천의 인공화 및 생태계의 악영향이 심화되고 있다. 친환경적인 하천 복원의 개념이 국내에 도입되었고 이를 위한 기술 개발 연구가 진행 중이지만 현재 인위적인 하천교란의 요인과 하천교란에 따른 영향 등의 정량적 평가 기술의 수립은 아직 미흡한 상태이다. 이러한 정량적 평가 기술의 수립을 위해서는 하천 교란의 요인 및 그 영향을 판단하기 위한 하천의 변화 양상 분석이 우선되어야 한다. 이를 위해 항공사진 및 GIS기법을 이용하여 국내 주요 하천의 교란에 따른 하천의 평면 변화 양상을 조사하고 분석함으로써 하천교란 조사기술 개발에 응용할 수 있는 방안을 제시하고자 하는 연구가 선행된 바 있다. 본 연구에서는 하천 교란이 발생한 댐 하류의 지역을 추가로 선정하여 선행 연구와 같은 방법으로 하천 교란 실태를 분석함으로써 GIS를 이용한 하천 교란 실태 분석 방법의 효용성을 확인하고자 하였다. 연구 결과 하천의 변화 양상을 확인하였으며 대상 하천의 사행도 및 저수의 구체적인 제반 수치를 제시할 수 있었다. 또한 분석 결과를 바탕으로 현재 이루어지고 있는 하천의 정비 및 복원 사업이 하천의 흐름에 어떠한 영향을 미치는 지 예측을 가능하게 하였다. 본 연구 결과를 바탕으로 GIS기반의 하천 교란 평가 기법 정립을 위한 추가 연구가 필요하며, 이를 통하여 보다 효율적인 하도 안정문제에 관한 대책 수립 및 친환경적 하천 복원이 가능할 것으로 사료된다. Current re-arrangement of rivers and waterways have been made uniformly ignoring characteristics of individual rivers thereby aggravating artificial river restructuring. On the contrary, quantitative techniques to evaluate the aftermath of artificial river disturbance such as uprising of river bed, intrusion of foreign fisheries, and changes of ecological habitats are not available. To establish such quantitative techniques, analysis of the river changes to evaluate the major causes of the river disturbance and its impacts is essential. Therefore, research for proposing a method which can be applied for the development of techniques to investigate river disturbance according to the major factors for the domestic rivers using airphotos and GIS techniques was preceded. In this study, the study area on the downstream of the river was selected and analysis of river disturbance using preceding method was done to confirm the benefit of analyzing river disturbance using GIS techniques. Trend analysis of the waterway sinuosity and changes of the flow path leaded to detailed verification of the river disturbance for specific location or time period, and this enabled to generate relatively accurate numbers representing sinuosity of the waterway and relevant changes. Also, it is possible to predict the effect on the current re-arrangement of the river and waterway to river flow using the analysis of past river change. It is necessary to establish GIS based proper measures for environmental river restoration using the results from this study and future works.

수제의 길이 변화에 의한 교호사주의 거동 분석 실험

장창래,송영진,Jang, Chang-Lae,Song, Youngjin 응용생태공학회 2016 Ecology and resilient infrastructure Vol.3 No.1

본 연구에서는 수제의 길이 변화에 의하여 교호사주의 형성, 사주의 이동과 정지, 사주의 파장에 미치는 영향을 실내실험을 통하여 분석하였다. 수제의 길이가 길어질수록 사주의 이동거리와 파장은 짧아지고, 이동속도는 감소하였다. 수제의 길이가 길수록 사주에 작용하는 강제효과가 강하게 작용하였다. 사주의 파고는 수제의 길이 변화에 크게 영향을 받지 않으며, 거의 일정하게 유지되었다. 그러나 사주의 파장이 감소하면 사주의 이동속도는 증가하며, 사주의 파장과 사주의 이동속도는 반비례 관계를 형성하였다. This study investigated the effects of a spur dike on the development processes, the migration, and the wave length of alternate bars with laboratory experiments. The bar wave length was shown to be shorter as the spur dikes got longer. The forcing effects of a long spur dike on the behavior of alternate bars were stronger than those of a shorter one. However, the bar height was not affected by the variation of the length of a spur dike. The bar migration speed was in inverse proportion to the bar wave length.

하천의 지형변동과 식생

장창래,Jang, Chang-Lae 한국수자원학회 2006 물과 미래(한국수자원학회지) Vol.39 No.12

우리나라 하천 관리에서 생물지형학의 적용과 전망

김대현(Daehyun Kim),김원(Won Kim),김은석(Eunsuk Kim),옥기영(Giyoung Ock),장창래(Chang-Lae Jang),최미경(Mikyoung Choi),조강현(Kang-Hyun Cho) 응용생태공학회 2020 Ecology and resilient infrastructure Vol.7 No.1

하천과 홍수터 생태계에서 생물지형학 연구는 폭 넓은 시공간 차원에서 생물계와 수문-지형체계 사이의 복잡한 다중관계를 다루어 왔다. 본 총설에서는 하천에서 (1) 생물과 수문지형 조건의 다자간 관계, (2) 생물다양성과 서식처 이질성의 관계, (3) 생태계 유형에 대한 교란의 영향에 대하여 설명함으로써 하천지형생물학의 범위와 과정을 논의하였다. 시간적으로 하천의 생물지형 복합체는 지형, 선구, 생물지형 및 생태적 단계의 순서로 전환이 된다. 공간적으로 물 흐름과 유사 분포가 식생과 상호작용하여 하도 지형의 변화가 일어난다. 이렇게 형성된 하천의 공간적 이질성은 하안의 생물종다양성을 증가시킨다. 그러나 댐 하류 하천에서는 서식처 유형과 조건이 심각하게 훼손되어 생물다양성이 저하된다. 우리나라의 하천에서는 최근 국지적 교란과 전 지구적 기후변화로 하안 식생이 번무하고 특히 외래종이 빠르게 정착하고 있다. 따라서 급격한 기후변화와 인류에 의한 압박의 시대에서 하천 생물과 수문지형 조건 사이의 상호 관계를 이해하는 것이 더욱 중요할 것으로 생각된다. 이 총설에서 논의한 하천 생물지형 개념틀은 우리나라 하천의 생태적 관리와 복원에 기여할 것으로 기대된다. In fluvial and riparian ecosystems, biogeomorphological research has considered the complex, multi-way relationships between biological and hydro-geomorphological components over a wide range of spatial and temporal scales. In this review, we discussed the scope and processes of fluvial biogeomorphology by explaining (1) the multi-lateral interactions between organisms and hydrogeomorphic conditions, (2) the relationships between biodiversity and habitat heterogeneity, and (3) the effects of disturbance on ecosystem patterns. Over time, an organism-landform complex along streams transitions in the sequences of geomorphic, pioneer, biogeomorphic, and ecological stages. Over space, water flow and sediment distributions interact with vegetation to modify channel topography. It is the habitat heterogeneity in streams that enhances riparian biodiversity. However, in the areas downstream of a dam, habitat types and conditions are substantially damaged and biodiversity should be reduced. In South Korea, riparian vegetation flourishes in general and, in particular, invasive species actively colonize in accordance with the changes in the fluvial conditions driven by local disturbances and global climate change. Therefore, the importance of understanding reciprocal relationships between living organisms and hydrogeomorphic conditions will ever increase in this era of rapid climate change and anthropogenic pressure. The fluvial biogeomorphic framework reviewed in this article will contribute to the ecological management and restoration of streams in Korea.

식생의 성장과 소멸을 고려한 자유사행과 Scroll bar의 발달과정 수치모의

장창래(Jang, Chang-Lae) 대한토목학회 2020 대한토목학회 학술대회 Vol.2020 No.10